电力系统自动化

电力系统无功功率与电压调节的意义与调节方式

近年来，随着国民经济的发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，负荷的快速增长对无功的需求大幅上升。无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一，无功经不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压经高低直接反映本级的无功平衡，是电能质量的重要指标之一。

1、电压与无功功率的重要作用

电力系统的经济、安全、稳定运行，与控制电压技术及调节无功功率分不开的。电压是电能质量的重要标志。供给用户的电压与额定电压值的偏移不超过规定的数值，是电力系统运行调整的基本任务之一。各种用电设备是按照额定电压来设计制造的，只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作效率。电压质量对电力系统本身有影响。当电压过高时：会对负荷的运行带来不良影响；影响产品的质量和产量，损坏设备；各种电力设备绝缘会损坏，在超高压输电线路中还将增加电晕损耗；甚至会引起电力系统电压崩溃，造成大面积停电。电压降低时：会使电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，过低还会危及电力系统运行的稳定性。无论是作为负荷用电设备还是电力系统本身，都要求能在一定的额定电压水平下工作。从技术和经济上综合考虑，规定各类用户的允许电压偏移是完全必要的。我国规定在正常运行情况下各类用户允许电压偏移为：

35KV及以上电压供电的负荷 ± 5％

10KV及以下电压供电的负荷 ± 7％

低压照明负荷＋5％－10％

农村电网（正常）＋7.5％－10％

（事故）＋10％－15％

电力系统中无功功率平衡是保证电力系统电压质量的基本前提。对于运行中的所有设备，要求系统无功功率电源所发出的无功功率(∑QG)与无功功率负荷(∑QD)及无功功率损耗(∑QL)相平衡，即

∑QG=∑QD+∑QL

而无功功率电源在电力系统中的合理分布是充分利用无功电源、改善电压质量和减少网络有功损耗的重要条件。无功功率的产生基本上是不消耗能源的，但无功功率沿输电线路上传送却要引起无功功率的损耗和电压的损耗。无功功率电源的最优控制目的在于控制各无功电

源之间的分配，合理的配置无功功率补偿设备和容量以改变电力网络中的无功功率分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善负荷用户的电压质量。

2、无功功率的产生和吸收

同步发电机可以产生或吸收无功功率，这取决于其励磁情况。当过励时产生无功功率，当欠励时吸收无功功率。

架空线路产生或吸收无功功率取决于负荷电流。当负荷低于自然负荷（波阻抗），线路产生纯无功功率；当高于自然负荷时，线路吸收无功功率。

地下电缆，由于它们对地电容较大，因此具有较高的自然负荷。它们通常工作在低于自然负荷情形下，因此在所有运行条件下总发生无功功率。

变压器不管其负载如何，总是吸收无功功率。空载时，起主要作用的是并联激励电抗；满载时，起主要作用的是串联漏抗。

负荷通常吸收无功功率。由电力系统的供电的典型负荷节点由许多装置所组成。这种组成随日期、随季节和气候的变化而不同。通常负荷节点的负荷特性是吸收无功功率的，复合负荷的有功功率和无功功率都是电压幅值的函数。具有低的滞后功率因数的负荷使传输网络有大的电压降落，因而供电也不经济，对于工业用户，无功功率通常和有功功率一样要计费，这就鼓励企业通过使用并联电容器来提高负荷功率因

数。

3.电压和无功功率的控制应满足的目标

电力系统有效和可靠的运行，电压和无功功率的控制应满足的目

标：

系统中有所有装置的在端电压应在可接受的限制内。

为保证最大限度利用输电系统，应加强系统稳定性。

应使无功功率传输最小，以使得RI2和XI2损耗减小到最小。

　当负荷变化时，输电系统的无功功率的要求也要变化。由于无功功率不能长距离传输，电压只能通过遍布整个系统的具体装置来进行有效控制。

4、无功功率的补偿

　（1）无功功率不足的危害：

交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分将用于做功而被消耗掉，这部分称为“有功功率”；另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建

立磁场，电动机，变压器等设备就不能运转。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件正常工作所需要的功率交换。无功功率不足，无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态，将给电力系统带来出力不足，电力系统损耗增加，设备损坏等一系列的损害，甚至可能引起电压崩溃事故，造成电网大面积停电。

无功功率的传输不但会产生很大的有功损耗，而且沿传输途径还会产生很大的电压降落，并使电网的视在功率增加，这将对系统产生以下负面影响。

1.1电网总电流增加，在传送同样的有功功率情况下，总电流的增

加，使设备及线路的损耗增加，并使线路及变压器的电压损耗增加。

1.2电网的无功不足，会导致用户端的电压降低，影响正常生产和

生活用电；反之，如果无功过剩，会造成电网的运行过高。

1.3大量的无功存在降低了电网的功率因数，造成大量电

能损耗。

1.4对电力系统的发电设备而言，无功电流的增大，对发电机转子

的去磁效应增加，电压降低，可能使转子绕组超过允许漫升。此外，当发电机的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。

（2）无功补偿原理：

在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流之后电压九十度，纯电容负载中电流超前电压九十度，也就是说纯电容中电流和纯电感中的电流相位差为180度，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由荣幸负荷储存起来；当感性负载需要能量时，再由荣幸负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。

（3）无功补偿的三种形式：

3.1集中补偿

集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方式，安装简便，运行可靠，利用率高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。季节性用电较强，空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。

3.2分散补偿

分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出